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膨胀石墨的制备及其导电性能的研究

作　者: 顾安妍
导　师: 张胜涛
学　校: 重庆大学
专　业: 化学
关键词: 膨胀石墨石墨层间化合物插层表征导电
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

膨胀石墨（EG）是由天然鳞片石墨经氧化、插层、水洗、干燥及高温膨胀而得到的一种疏松多孔的物质,是一种新型的导电材料。本论文研究以HNO3和H2SO4共同插入法、分步插层法和电解氧化法制备EG的工艺路线,探讨主要因素对膨胀体积的影响规律,正交试验优化EG的制备条件,测试优化条件下制得石墨层间化合物（GICs）的各项技术指标,并采用扫描电镜、X射线衍射、红外光谱和热分析等现代分析技术对优化的工艺条件得到的GICs进行表征,确定其结构、形貌等相关信息。将制得的EG与丙烯酸树脂复配,分析了填料的含量与涂层表面电阻率的关系。本论文的主要研究结果如下:1)采用HNO₃、H₂SO₄共同插入法制备了在900℃下膨胀体积达到290ml/g的EG。优化的工艺条件为:混酸量为60g,KMnO4用量为1.8g,硝酸与硫酸的质量比为1:3,反应时间是50min。制得的EG具有蠕虫状蓬松结构,石墨蠕虫由许多微胞连接在一起组成。微胞间的狭缝宽度为40⁵0μm。插入剂破坏了鳞片石墨晶体结构,但是未破坏石墨的C-C键,X射线衍射峰对应2θ为29.5°处的特征峰是插层物结晶区引起的。GICs片层间存在SO₄²⁺和NO₃^-,500℃前热失重达21.452%,这是由插层物的气化、分解所致。2)采用分步插层法制备的EG在900℃下膨胀体积可达300mL/g。分步插层法是一次插层后再插入低沸点甲酸,有利于得到更高膨胀体积的EG,同时降低了GICs的含硫量。优化工艺条件为:混酸量为60g,KMnO4用量为2.2g,硝酸与硫酸比为1:3,反应时间为50min,在甲酸中浸泡2小时。分步插层法获得的GICs石墨层比较疏松,层间距离较大。EG有良好的孔隙结构,从表面观察为许多网状的多边形孔,孔隙开口比HNO₃、H₂SO₄共同插层EG的深。插入剂破坏了鳞片石墨晶体结构,但是未破坏石墨的C-C键,X射线衍射峰对应2θ为28.5°处的特征峰是插层物结晶区引起的。GICs片层间存在SO₄²⁺、NO₃^-和COOH^-,500℃前热失重达15.156%。3)采用电解氧化法制备的EG在900℃下膨胀体积达到200ml/g。硫酸的质量分数控制在75 %左右最佳,优化的电流密度为0.75 A/m2 ,m（H₂SO₄）:m（KMnO4）=90:1为宜,较好的电解氧化时间为5小时。电解氧化后的EG层间显得较为松散,呈层状开裂。插入剂破坏了鳞片石墨晶体结构,但是未破坏石墨的C-C键,X射线衍射峰对应2θ为29.6°处的特征峰是插层物结晶区引起的。GICs片层间存在SO₄²⁺,500℃前热失重达10.766%。4)以鳞片石墨做导电填料的涂层渗滤阈值为33.33 wt.%,表面电阻率最低为1.76×10⁴Ω·cm^-2,当含量大于41.18 wt.%,表面电阻率有所回升。以EG为导电填料的涂层渗滤阈值（0.5 wt.%）很低。当填料含量大于2 wt.%后,相同质量分数条件下EG为填料的涂层电阻率比鳞片石墨为填料的涂层低约10个数量级,并且非常稳定。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 膨胀石墨概述  11-16
    1.2.1 结构与性能  11-12
    1.2.2 插层机理与膨胀机理  12-14
    1.2.3 插层方法  14-15
    1.2.4 膨胀方法  15
    1.2.5 存在的问题及发展趋势  15-16
  1.3 高分子/膨胀石墨复合导电材料的研究状况  16-18
    1.3.1 膨胀石墨作导电填料  16-17
    1.3.2 导电机理  17-18
  1.4 本文主要研究的内容  18
  1.5 本文的创新之处  18-20
2 实验部分  20-28
  2.1 实验所用原料与设备  20-21
  2.2 石墨层间化合物的制备  21-25
    2.2.1 化学法制备石墨层间化合物  21-22
    2.2.2 电解氧化法制备石墨层间化合物  22
    2.2.3 分析测试方法  22-23
    2.2.4 产品质量的测定  23-25
  2.3 导电复合材料的制备方法与电阻率测试  25-27
    2.3.1 制备方法  25-26
    2.3.2 表面电阻率测试  26-27
  2.4 本章小结  27-28
3 HN0_3、H_2S0_4 共同插入法制备膨胀石墨的研究  28-35
  3.1 制备方法  28
  3.2 实验过程中应注意的问题  28
  3.3 结果与讨论  28-34
    3.3.1 混酸量对膨胀体积的影响  28-29
    3.3.2 高锰酸钾用量对膨胀体积的影响  29-30
    3.3.3 硝酸与硫酸质量比对膨胀体积的影响  30-31
    3.3.4 反应时间对膨胀体积的影响  31-32
    3.3.5 正交分析  32-33
    3.3.6 石墨层间化合物的指标测试结果  33-34
  3.4 本章小结  34-35
4 分步插层法制备膨胀石墨  35-41
  4.1 制备方法  35
  4.2 结果与讨论  35-40
    4.2.1 混酸量对膨胀体积的影响  35-36
    4.2.2 高锰酸钾用量对膨胀体积的影响  36-37
    4.2.3 硝酸与硫酸质量比对膨胀体积的影响  37
    4.2.4 反应时间对膨胀体积的影响  37-38
    4.2.5 正交分析  38-39
    4.2.6 石墨层间化合物的指标测试结果  39-40
  4.3 本章小结  40-41
5 电解氧化法制备膨胀石墨  41-48
  5.1 制备方法  41
  5.2 结果与讨论  41-46
    5.2.1 硫酸浓度对膨胀体积的影响  41-42
    5.2.2 电流密度对膨胀体积的影响  42-43
    5.2.3 硫酸与高锰酸钾质量比对膨胀体积的影响  43-44
    5.2.4 电解氧化时间对膨胀体积的影响  44-45
    5.2.5 正交试验  45-46
    5.2.6 石墨层间化合物的指标测试结果  46
  5.3 本章小结  46-48
6 石墨层间化合物的结构与性能研究  48-64
  6.1 HN0_3、H_2S0_4 共同插层GICs 的结构与性能分析  48-52
    6.1.1 SEM 表征  48-49
    6.1.2 XRD 分析  49-50
    6.1.3 IR 分析  50-51
    6.1.4 TGA 研究  51-52
    6.1.5 本节小结  52
  6.2 分步插层GICs 的结构与性能分析  52-56
    6.2.1 SEM 测定  52-54
    6.2.2 XRD 研究  54
    6.2.3 IR 分析  54-55
    6.2.4 TGA 研究  55-56
    6.2.5 本节小结  56
  6.3 电解氧化插层GICs 的结构与性能分析  56-59
    6.3.1 SEM 测定  56-57
    6.3.2 XRD 分析  57-58
    6.3.3 IR 分析  58
    6.3.4 TGA 研究  58-59
    6.3.5 本节小结  59
  6.4 三种插层体系对比  59-64
    6.4.1 SEM 测定  59-61
    6.4.2 XRD 分析  61-62
    6.4.3 TGA 研究  62
    6.4.4 石墨层间化合物的指标测试结果  62-63
    6.4.5 本节小结  63-64
7 填料含量对复合材料导电性的影响  64-70
  7.1 树脂体系的选择  64
  7.2 溶剂体系的选择  64-65
    7.2.1 溶剂的毒性和安全性  64-65
    7.2.2 溶剂对涂层性能的影响  65
  7.3 制备方法  65
  7.4 结果与分析  65-67
    7.4.1 鳞片石墨含量对涂层表面电阻率的影响  65-66
    7.4.2 EG-A 含量对涂层表面电阻率的影响  66-67
    7.4.3 EG-B 含量对涂层表面电阻率的影响  67
  7.5 影响涂层导电性能的机理分析  67-68
  7.6 本章小结  68-70
8 结论  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-77
附录  77
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  77
  B 作者在攻读学位期间参加的科研项目  77

膨胀石墨的制备及其导电性能的研究

内容摘要

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